蔡雄飛 李丁 王濟

摘要：為查明五馬河沿岸農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量狀況，實地采集表層土壤樣品63個，分析Cu、Cd、Pb、Zn、Hg和As共6種重金屬元素全量，采用“超標倍數(shù)法”和“雙權重超標賦權法”組合而成的改進模糊數(shù)學綜合評價法進行綜合評價，同時運用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對評價結(jié)果進行對比分析。結(jié)果表明，土壤樣品中Cu、Cd、Pb、Zn、Hg、As含量平均值分別為37.99、0.013、51.58、93.71、0.148、6.33 mg/kg，Cu和Pb含量平均值超過了土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅰ級標準。改進模糊數(shù)學法評價顯示，各樣點Ⅰ級隸屬度均較高，說明研究區(qū)土壤質(zhì)量安全。單因子污染指數(shù)反映研究區(qū)有3.17%樣點Cu污染達到中等污染水平，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)表明研究區(qū)有33.33%的點位處于輕度污染水平，表明研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量總體良好，應做好土壤環(huán)境質(zhì)量安全的預防和保護工作。

關鍵詞：五馬河;土壤;重金屬;改進模糊數(shù)學;污染指數(shù);污染評價;對比分析;綜合評價

中圖分類號： X53 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）01-0246-05

土壤是人類賴以生存的物質(zhì)基礎，是人類不可或缺的自然資源，也是人類環(huán)境的重要組成部分。目前我國農(nóng)田土壤正遭受各種污染的威脅，總污染超標率達16.1%，其中80%農(nóng)田土壤污染是由重金屬超標導致的[1-2]。重金屬進入土壤后，既會對土壤中微生物的數(shù)量和活性產(chǎn)生影響，同時被作物的根系吸收后影響作物的生長及品質(zhì)，最終經(jīng)食物鏈進入人體，威脅人體健康[3]。目前，土壤重金屬污染評價方法較多，比較常用的有單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、潛在生態(tài)風險指數(shù)法和地累積指數(shù)法等[4-8]。由于評價目標、尺度和評價指標的差異性，不同模型計算的評價結(jié)果也可能不同。模糊數(shù)學法自1965年由Zadeh提出以來經(jīng)多年的運用及發(fā)展，發(fā)現(xiàn)其在土壤環(huán)境質(zhì)量評價中分辨率明顯高于其他評價方法[9]。但傳統(tǒng)模糊綜合評價模型在確定土壤污染因子權重時常采用超標倍數(shù)法或雙權重超標賦權法，前者會導致評價結(jié)果只考慮重金屬濃度而忽略毒性，后者會弱化低濃度高毒性重金屬的影響[10]。因此，本研究采用基于上述2種權重賦值法的改進模糊綜合評價法，對五馬河沿岸農(nóng)田土壤重金屬進行綜合評價，并與單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進行對比分析，以期使評價結(jié)果更加客觀。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

五馬河位于貴州省仁懷市南部（106.1～106.6°E、27.5～27.8°N），地處赤水河上游，大婁山脈西側(cè)北段，流經(jīng)長崗鎮(zhèn)、魯班鎮(zhèn)、五馬鎮(zhèn)、茅壩鎮(zhèn)4鎮(zhèn)，全長39.3 km。研究區(qū)屬中亞熱帶濕潤季風氣候，年降水量800～1 100 mm，土壤類型為石灰土、黃壤、紫色土、水稻土和黃棕壤。該地區(qū)經(jīng)濟主要以農(nóng)業(yè)為主，糧食作物主要為高粱、油菜、烤煙等。

1.2 樣品采集

結(jié)合流域農(nóng)田分布情況，沿流域約每1 km的距離設置1個采樣點，并確保距離河岸1 km以內(nèi)。于2017年4月對土壤樣品進行采集，在采樣過程中參照NY/T 395—2000《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術規(guī)范》[11]，采用10 m×10 m內(nèi)“梅花形”布設5個子樣點，采集樣點土壤表層0～20 cm土壤，混合均勻后用四分法取樣，留取約1 kg土壤樣品，放入聚乙烯自封袋，并用記號筆標記編號，同時用GPS記錄采樣點位置信息。樣點分布見圖1。

1.3 樣品處理及測定

土壤經(jīng)自然風干后，剔除樣品中植物根系、有機殘渣以及可見侵入體后充分研磨，混勻后分成2份，一份土樣過60目篩用于測定土壤pH值，另一份土樣過100目篩用于土壤重金屬含量測定。其中，銅（Cu）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、鋅（Zn）含量采用四酸熔樣法（王水、HClO4、HF）于140 ℃電熱板上持續(xù)加熱消解完成，火焰原子吸收光譜儀（AAS-G800）測定;汞（Hg）和砷（As）含量采用王水水浴加熱法消解，原子熒光光譜儀（AFS-E230）測定。為保證分析的準確性和精確性，試驗過程用國家標準物質(zhì)即黃紅壤成分分析標準物質(zhì)（GBW07309）作為質(zhì)量控制，并進行平行樣分析，測試誤差控制在5%以內(nèi)。

1.4 改進模糊數(shù)學綜合評價法

由于土壤重金屬污染涉及到許多模糊性概念，因此本試驗采用改進的模糊數(shù)學綜合評價法對研究區(qū)土壤中Cu、Cd、Pb、Zn、Hg、As等6種重金屬進行綜合評價。同時，采用單因子污染指數(shù)評價法[12]和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價法[13]進行評價，以期使評價結(jié)果更加客觀、合理。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量分析

分析結(jié)果（表2）表明，土壤樣品中Cu、Cd、Pb、Zn、Hg、As含量平均值分別為37.990、0.013、51.580、93.710、0.148、6.330 mg/kg，其中Cu、Pb含量平均值超過了土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅰ級標準。研究區(qū)63份土壤樣品中，各重金屬元素含量超出土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅰ級標準的比例為0～74.60%，其中Cd含量平均值未超出Ⅰ級標準，Pb含量平均值的超標率最高，為 74.60%。Cd含量最大值與最小值差距最大，最大值與最小值的比值高達25.33;Hg含量最大值與最小值差距最小，比值為4.15。變異系數(shù)能反映各樣點重金屬含量的平均變異程度，根據(jù)Wilding對變異程度的分類[18]可知，Zn和Hg（變異系數(shù)為0.32和0.28）為中等變異，而Cu、Cd、Pb和As（變異系數(shù)分別為0.40、0.72、0.38和0.41）為高等變異[19]。若變異系數(shù)大于0.5，說明重金屬含量空間分布不均勻，存在點源污染的可能[20]。研究區(qū)土壤中重金屬Cd的變異系數(shù)為0.72，變異較顯著，說明Cd受某些局部污染源的影響比較明顯。峰度是描述總體中所有取值分布形態(tài)陡緩程度的統(tǒng)計量，偏度是描述數(shù)據(jù)分布形態(tài)的統(tǒng)計量[21]。研究區(qū)重金屬統(tǒng)計結(jié)果中，Cd、Zn、Hg和As偏度和峰度系數(shù)較大，表明部分土壤樣本呈現(xiàn)高含量區(qū)，處于高累積狀況。

2.2 土壤重金屬相關性分析

土壤中的重金屬除來自土壤母質(zhì)層外，主要還有農(nóng)業(yè)活動（包括灌溉水、農(nóng)業(yè)、化肥）、大氣降塵以及工業(yè)污染等多種來源[22]。重金屬之間的相關系數(shù)可以表明其來源途徑的相似性程度，一般相關系數(shù)較高的重金屬之間具有依存關系，可能有相似的來源途徑;相關系數(shù)較低的重金屬之間則依存關系弱，來源途徑不盡相同[23]。相關分析結(jié)果（表3）表明，五馬河沿岸農(nóng)田土壤中，Cd含量與Hg、As含量之間呈顯著正相關（P<0.01），Cu含量與Zn、As含量之間呈明顯正相關（P<0.05），Cd含量與Zn含量呈明顯正相關（P<0.05），Pb含量與Zn含量也呈明顯正相關（P<0.05），說明這些元素之間的富集可能有相似的來源。

2.3 改進模糊數(shù)學綜合評價法結(jié)果

由于改進模糊數(shù)學法運算過程復雜且樣品較多，現(xiàn)以樣點S1為例進行計算，其過程如下。

2.3.1 確立隸屬函數(shù)并建立模糊關系矩陣 使用重金屬實測數(shù)據(jù)與土壤環(huán)境質(zhì)量標準（表2）并結(jié)合土壤pH值，采用傳統(tǒng)的模糊綜合評價模型計算樣點S1的隸屬函數(shù)值并建立其模糊關系矩陣R1。

2.3.2 確定評價因子綜合權重 根據(jù)公式（2）～（4）計算樣點S1中各因子的綜合權重，組成樣點綜合權重集A1={0.233 0，0.026 2，0.135 6，0.222 7，0.222 3，0.160 2}。

2.3.3 綜合評判結(jié)果 運用公式（1），將樣點S1的模糊關系矩陣與綜合權重向量代入計算，求得該樣點各等級隸屬度為B1=A1×R1=[0.945 9，0.054 1，0]，按照最大隸屬度原則得出樣點S1評判等級為Ⅰ級（未污染）。依照上述方法對研究區(qū)土壤重金屬進行綜合評價，經(jīng)計算得到63個樣點各級隸屬度和評價等級（表4）。結(jié)果表明，研究區(qū)所有樣點均處于Ⅰ級（未污染）水平。隸屬度是模糊評價函數(shù)的一個概念，其特點為結(jié)果不是絕對的，其數(shù)值越接近于1，元素屬于該等級的程度越高。從各樣點各級隸屬度數(shù)值來看，各樣點Ⅰ級隸屬度普遍較高，說明研究區(qū)土壤質(zhì)量安全。

2.4 單因子污染指數(shù)評價及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)結(jié)果

五馬河沿岸農(nóng)田土壤6種重金屬單因子污染指數(shù)及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)如表5所示。結(jié)果表明，研究區(qū)土壤6種重金屬單因子指數(shù)平均值除Cu和Pb外均處于Ⅰ級（清潔）水平，Cu雖有部分樣點為中度污染，但占比僅為3.17%。Cd、Zn、Hg和As未污染樣點比例均大于50%且Cd所有樣點均未污染。按照單因子污染超出Ⅱ級水平的比例由高到低排序為Pb>Cu>Hg>Zn>As>Cd;處于Ⅰ級水平（清潔）比例由高到低排序為Cd>As>Zn>Hg>Cu>Pb。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)考慮了最高污染因子對土壤質(zhì)量的影響，研究區(qū)土壤環(huán)境內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)平均值為1.010，達到輕度污染水平，63個樣點中有66.67%處于Ⅱ級（尚清潔）水平，33.33%處于Ⅲ級（輕度污染）水平。

3 討論

改進模糊數(shù)學綜合評價法與傳統(tǒng)單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評判結(jié)果有所不同，這是因為不同評價方法特點各異。單因子污染指數(shù)法僅能反映單個因子對評價對象的影響，不能綜合反映土壤的污染程度，因此只適用于單一污染地區(qū)，并且單因子污染指數(shù)忽略了土壤環(huán)境及污染程度的模糊性，不能對土壤環(huán)境質(zhì)量進行客觀評價;內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法相比于單因子污染指數(shù)法引入了最大單因子污染分指數(shù)，突出了污染嚴重的元素對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，因此可以避免由于平均作用而削弱高污染重金屬元素的權重值，但是卻可能會夸大一些因子的影響，同時內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)雖突出了污染指數(shù)最大的污染物的貢獻率，卻忽略了各分指數(shù)對綜合污染影響貢獻的差異[24]。

相比于其他方法，模糊數(shù)學法在土壤環(huán)境質(zhì)量評價中能比較客觀地表達評判中的模糊性，使評價結(jié)果更加準確合理[25];謝志宜等通過對比分析5種土壤重金屬綜合評價結(jié)果，認為模糊數(shù)學法結(jié)果最為準確[26]。應用模糊數(shù)學法進行污染評價成功的關鍵問題是如何確定各指標的權重，改進模糊數(shù)學綜合評價法既考慮了各污染因子超標率的影響，也考慮了各重金屬元素毒性對土壤環(huán)境質(zhì)量影響的差異，使評價結(jié)果更加準確。

雖然改進模糊數(shù)學法評判結(jié)果顯示五馬河沿岸農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量安全，但單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法結(jié)果也不容忽視。單因子污染指數(shù)顯示，有3.17%的樣點Cu含量達到中等污染水平，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)表明研究區(qū)有33.33%的樣點處于輕度污染水平，說明研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量有惡化趨勢。已有研究表明，垃圾的堆積和焚燒、交通運輸、不合理的農(nóng)業(yè)活動都可能會造成Cu污染[27]。五馬河上游沿岸村落及中下游的五馬鎮(zhèn)缺乏完善的垃圾處理系統(tǒng)，沿岸居民將生活垃圾、廢棄農(nóng)藥瓶等直接傾倒在河流中或在河床內(nèi)堆積焚燒，嚴重污染了河水及周邊環(huán)境，同時也造成河水灌溉后農(nóng)田土壤中Cu的富集。針對上述問題，希望有關部門引起重視，建立健全流域生態(tài)保護措施，加強對沿岸居民的環(huán)保教育，完善沿岸生產(chǎn)及生活垃圾集中處理系統(tǒng)，使五馬河流域的生態(tài)環(huán)境朝著更加有利的方向發(fā)展。

4 結(jié)論

通過對五馬河沿岸農(nóng)田土壤重金屬污染的測試、分析、評價和討論，得出如下主要結(jié)論：（1）研究區(qū)Cu、Cd、Pb、Zn、Hg、As含量平均值分別為37.990、0.013、51.580、93.710、0.148、6.33 mg/kg，Cu和Pb含量平均值超過了土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅰ級標準，其中Pb超標比例達74.6%。（2）基于改進模糊數(shù)學法的土壤重金屬綜合污染評價結(jié)果顯示，五馬河沿岸土壤重金屬污染水平為Ⅰ級（清潔），絕大部分樣點Ⅰ級隸屬度大于85%，說明研究區(qū)土壤質(zhì)量安全。（3）單因子污染指數(shù)顯示有3.17%的樣點Cu含量達到中等污染水平，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)表明有33.33%的樣點處于輕度污染水平，應做好土壤環(huán)境質(zhì)量安全的預防和保護工作。

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